Ученые решили одну из главных загадок происхождения сложной жизни

Фото из открытых источников

Исследователи, изучающие происхождение сложной жизни на Земле, похоже, разгадали давнюю загадку, лежащую в основе эволюции животных, растений и грибов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Чтобы понять эту загадку, необходимо сначала знать, что существует два основных типа клеток: эукариоты, которые имеют множество внутренних структур, таких как ядро и митохондрии, и прокариоты, которые обходятся без всего этого.

Вся то, что мы называем сложной жизнью, то есть, по сути, всё, что можно увидеть невооружённым глазом, — и многое другое, — состоит из эукариотических клеток. Прокариоты, с другой стороны, включают бактерии и другую группу одноклеточных организмов, называемых археями.

Наиболее широко распространенная теория происхождения сложной жизни гласит, что клетка археи, а именно так называемая асгардская архея, проглотила бактерию. Однако вместо того, чтобы быть переваренной, эта бактерия продолжила жить внутри археи и в конечном итоге превратилась в то, что мы сегодня знаем как митохондрии.

Эта теория убедительна по ряду причин, в том числе потому, что ДНК внутри митохондрий похожа на ДНК современных альфапротеобактерий, и что клеточные мембраны эукариот больше похожи на мембраны архей, чем на клеточные мембраны бактерий.

Однако есть один существенный момент: исследования архей Асгарда, обнаруженных лишь в 2015 году в отложениях гидротермального источника под названием «Замок Локи», показывают, что они предпочитают среду с низким содержанием кислорода. Однако предполагается, что бактерии, которые они, предположительно, проглотили, жили там, где кислорода было в избытке – ведь функция митохондрий сегодня заключается в использовании кислорода для превращения пищи в энергию в процессе, называемом дыханием.

В результате этой масштабной работы по секвенированию количество геномов ближайших известных архейных родственников организма-хозяина, давшего начало эукариотам, увеличилось почти вдвое.

Однако, согласно новому исследованию Техасского университета в Остине, эта проблема оказывается несущественной, поскольку сегодня существует множество асгардов, которые действительно используют кислород или, по крайней мере, терпимы к нему.

«Один из главных вопросов в биологии и эволюции жизни на планете — какие события привели к формированию сложной жизни (растений и животных)», — сказал руководитель исследования Бретт Бейкер. «Это исследование дает новые подсказки об образе жизни наших микробных предков, и мы считаем, что они могли дышать кислородом, как и мы!»

Собрав данные из нескольких морских экспедиций, команда обработала около 15 терабайт ДНК из окружающей среды, из которых получила сотни новых геномов асгардов.

Затем, используя инструмент машинного обучения, который позволяет анализировать генетические данные и определять, какие белки они могут производить, исследователи смогли показать, что гены одного из типов архей Asgard, называемого Heimdallarchaea, производят белки, похожие на компоненты электронно-транспортной цепи — структуры, участвующей в метаболизме кислорода.

«Эта масштабная работа по секвенированию почти вдвое увеличила количество геномов ближайших известных архейных родственников организма-хозяина, давшего начало эукариотам, что позволило получить более полное представление об их экологии и метаболизме», — рассказала соавтор исследования Кэтрин Эпплер.

Более того, некоторые из проанализированных ими образцов были взяты из мелководных отложений, где до сих пор обитают аэробные альфапротеобактерии, что позволяет предположить, что взаимодействия, подобные тем, которые, как считается, положили начало эукариотической жизни, наблюдаются и сегодня.

«Большинство ныне живущих асгардов были обнаружены в средах без кислорода, — пояснил Бейкер. — Но оказывается, что те, которые наиболее близки к эукариотам, живут в местах с кислородом, таких как мелководные прибрежные отложения и плавающие в толще воды, и у них много метаболических путей, использующих кислород. Это говорит о том, что у нашего эукариотического предка, вероятно, тоже были эти процессы».